基于MATLAB仿真軟件對(duì)有源濾波器進(jìn)行分析研究

引言

以往在煤礦電網(wǎng)諧波治理方面，通常是并接無源濾波器組，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行固定式補(bǔ)償。由于提升機(jī)為短時(shí)循環(huán)工作制的負(fù)載，一個(gè)提升機(jī)循環(huán)分為加速、等速、減速和休止幾個(gè)工作狀態(tài)，各階段所需功率均不同，另外，許多分散設(shè)備的運(yùn)行周期也有差異，而電容器組只能輸出恒定無功功率，導(dǎo)致有時(shí)無功不夠，有時(shí)過補(bǔ)現(xiàn)象的產(chǎn)生。采用有源濾波器，可根據(jù)每個(gè)設(shè)備負(fù)載無功的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使設(shè)備運(yùn)行和電網(wǎng)始終處于最佳狀態(tài)。

有源濾波器包括三個(gè)部分：諧波檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路和主電路。有源濾波器的關(guān)鍵是諧波電流的檢測(cè)與補(bǔ)償控制，本文以三相電路瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ)，建立了有源濾波器模型，并應(yīng)用MATLAB對(duì)其在某煤礦主提升機(jī)諧波治理方面的應(yīng)用進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

MATLAB仿真模型的建立

本文的設(shè)計(jì)使用了MATLAB的PowerLIB工具箱、DSP 工具箱和SIMULINK仿真模塊,以建立該有源濾波器各部分的仿真模型。

有源濾波器的仿真模型

該有源濾波器主要由諧波電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路、電容器和變壓器5大部分組成。變壓器的設(shè)置主要是為調(diào)節(jié)有源電力濾波器交流側(cè)電壓之用。其原理如圖1所示。其中的諧波源模塊是根據(jù)主提升機(jī)房實(shí)際諧波測(cè)試數(shù)據(jù)建成的。

圖1 有源濾波器原理圖

諧波檢測(cè)電路的仿真模型

諧波檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 諧波檢測(cè)電路模型

該方法中，需要用到與a相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號(hào)sin(wt)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cos(wt)，它們由一個(gè)單相鎖相環(huán)得到。

因?yàn)锳PF要求實(shí)時(shí)性高，能隨時(shí)跟蹤諧波電流的變化，而低通濾波器是整個(gè)系統(tǒng)中決定實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要因素。因此在選用LPF時(shí)，一定要兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與截止頻率，應(yīng)遵從以下原則：在低通濾波器能完全濾出交流分量的前提下，選用的低通濾波器階數(shù)應(yīng)盡可能低，截止頻率盡可能高。本文選用巴特沃斯LPF，其階數(shù)取為2，截止頻率fc選為20Hz。

由于基于ip、iq運(yùn)算方式的諧波檢測(cè)方法只有sin(wt)、cos(wt)參與計(jì)算，電壓的諧波成分不參與計(jì)算，因此，無論電網(wǎng)電壓是否畸變，本方法都能有效地檢測(cè)出諧波電流。這也是該方法優(yōu)于基于p、q運(yùn)算方式的諧波檢測(cè)方法的一個(gè)原因。

該方法電路簡(jiǎn)單，但是對(duì)硬件的精度要求很高，為了降低對(duì)硬件精度的要求，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，可在LPF后增加PI調(diào)節(jié)器。

驅(qū)動(dòng)電路的仿真模型

由于并聯(lián)型有源濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨其指令電流信號(hào)的變化，要求補(bǔ)償電流發(fā)生器有很好的實(shí)時(shí)性，因此，電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。目前跟蹤型PWM控制的方法主要有兩種，即瞬時(shí)值比較方式和三角波比較方式。本文采用三角波比較方式。

主電路的仿真模型

有源電力濾波器的主電路是一個(gè)電壓型PWM變流器，其直流側(cè)電容值為1200F，由于容量小，故功率器件選用了電力MOSFET。

仿真結(jié)果分析

圖3 未加載有源濾波器時(shí)的電流波形和諧波

圖4 加載有源濾波器后的電流波形和諧波

抑制諧波的關(guān)鍵在于濾波器能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地、快速地檢測(cè)出諧波。本文所提出的根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論檢測(cè)諧波電流的方法, 能夠較好地滿足以上要求。由仿真的波形圖(見圖3和圖4) 可以總結(jié)出該有源濾波器具有如下特點(diǎn)：

(1) 從得到的仿真結(jié)果可以看出，有源濾波器對(duì)主提升機(jī)房供電電源中的諧波有著明顯的抑制作用，使流入電網(wǎng)的電流波形得到明顯改善，電源電流的畸變率由原來的29.68%下降到3.31%，達(dá)到了補(bǔ)償和抑制諧波的目的。

(2) 有源濾波器的主電路采用MOSFET管，由于MOSFET管具有良好的可控性, 因此,該濾波器可以快速地反應(yīng)波形的變化,這使得有源濾波器有良好的跟蹤性, 可實(shí)時(shí)地濾除諧波。

(3) 從有源濾波器的總體結(jié)構(gòu)來看，該有源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論,可以設(shè)計(jì)出諧波檢測(cè)電路或應(yīng)用DSP 芯片來實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)。這樣，不僅提高了運(yùn)算的速度,而且降低了濾波器的損耗,經(jīng)濟(jì)上是可行的。

結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的有源電力濾波器可以有效抑制電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波,它與無源濾波器相比,具有更好的補(bǔ)償特性,在一些諧波成分復(fù)雜、多變的場(chǎng)合更具有優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐表明，MATLAB仿真軟件可以很容易地應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域,是電力系統(tǒng)分析的有利工具。